Polveri metalliche caratterizzazione granulometrica per processi di Additive Manufacturing

Le tecniche di Additive Manufacturing sono di grande interesse soprattutto nella costruzione di aeromobili. La stampa 3D metallica apre possibilità completamente nuove per la riduzione del peso e, di conseguenza, per la riduzione del consumo di cherosene. Le parti che prima dovevano essere assemblate da dozzine di singoli componenti ora possono essere prodotte direttamente in un unico pezzo. I progressi nello sviluppo dell'Additive Manufacturing consentono di produrre sempre più parti in grandi quantità mediante la stampa 3D.

Le polveri utilizzate per la produzione additiva devono soddisfare i più elevati standard di qualità: la distribuzione delle dimensioni deve essere ristretta e deve essere conosciuta nel modo più preciso possibile per controllare il comportamento del materiale durante il processo di sinterizzazione.

Polveri metalliche e produzione additiva Diffrazione laser combinata con l'analisi delle immagini

La diffrazione laser è il metodo standard per determinare la distribuzione granulometrica delle particelle in molti settori. Questa tecnica può anche analizzare le particelle in un flusso d'aria o come sospensione in un liquido. Il metodo di misurazione si basa sul principio che la luce laser viene diffratta o diffusa ad angoli diversi da particelle di dimensioni diverse. Il calcolo della distribuzione dimensionale si basa sull'analisi dei modelli di luce diffusa. La forza del metodo di misurazione risiede nella sua elevata flessibilità, facilità d'uso e campo di misura estremamente ampio da 10 nm a 4 mm. Tuttavia, la diffrazione laser non è adatta per determinare la forma delle particelle. Per questo motivo, Microtrac ha dotato il suo potente analizzatore con tecnologia di diffrazione laser SYNC di un modulo telecamera aggiuntivo basato sul principio dell'analisi d'immagine dinamica. Questo utilizza la stessa cella di misura e lo stesso sistema di dispersione dell'analisi della luce diffusa.

Esempio Particelle di grandi dimensioni

Molti processi di produzione, compreso l'Additive Manufacturing, sono sensibili a piccole quantità di particelle voluminose (sovradimensionate) in quanto possono portare a cavità o punti deboli nel prodotto finale. La semplice determinazione della dimensione media delle particelle non è sufficiente per prevedere le prestazioni produttive. Il volume delle particelle maggiori rispetto ad una determinata dimensione deve essere monitorato attentamente. È possibile definire una specifica secondo la quale non più di una piccola frazione delle particelle può essere maggiore di una dimensione critica. Ad esempio, è possibile richiedere che non più dello 0,01% in volume delle particelle sia maggiore di 200 micron. In questo esempio di misurazione si è preparato un campione di polvere metallica con diverse quantità di impurità (particelle sovradimensionate), e le distribuzioni dimensionali risultanti sono state misurate per illustrare come il sistema a doppia fotocamera ad alta velocità del CAMSIZER X2 possa essere utilizzato per trovare piccole quantità di impurità con particelle voluminose.

Un campione di polvere metallica è stato prima setacciato attraverso un setaccio da 200 μm per garantire la rimozione dei contaminanti di grandi dimensioni. La polvere setacciata è stata poi pesata e si è aggiunta una piccola quantità di particelle grandi in modo controllato. In questo modo si è ottenuta una serie di campioni con quantità note di impurità. Le concentrazioni erano 0,005%, 0,01%, 0,02%, 0,05%, 0,1%, 0,2% e 1% (massa % ciascuno). Le quantità di campione da analizzare erano di circa 35-40 grammi. Le Fig. 9, Fig. 10 e la tabella mostrano l'accuratezza con cui il CAMSIZER può rilevare i grani sovradimensionati. 

Nella diffrazione laser, si presume che, in condizioni favorevoli, le particelle sovradimensionate possano essere rilevate se la percentuale è >2% in volume. La diffrazione laser valuta un segnale generato da tutte le particelle contemporaneamente. Si tratta quindi di un metodo di misurazione collettivo, a differenza di un metodo di misurazione di singole particelle, come l'analisi delle immagini, in cui ogni particella rilevata genera un valore di misurazione. Nella diffrazione laser, se la proporzione di una certa frazione è troppo piccola, anche il contributo di queste particelle al segnale totale di luce diffusa è troppo piccolo per essere distinguibile dal rumore di fondo. Questa situazione non può essere compensata misurando quantità maggiori di campione.

La combinazione di analisi dell'immagine e diffrazione laser migliora la probabilità di rilevamento delle impurità, ma le prestazioni non si avvicinano a quelle di un analizzatore di immagini dinamico specializzato come il CAMSIZER X2. Ciò è dovuto principalmente alla velocità di acquisizione delle immagini del CAMSIZER X2, 14 volte superiore. Il sistema di dispersione, l'alimentazione e la configurazione del SYNC sono ottimizzati per generare dati di luce diffusa di alta qualità in breve tempo, con la possibilità aggiuntiva di acquisire immagini. L'intero hardware del CAMSIZER X2, ovvero dispersione, alimentazione del campione, sorgenti luminose e telecamere, è ottimizzato per acquisire e valutare molte immagini in breve tempo. Il numero di particelle valutate e la quantità totale di materiale utilizzato è notevolmente maggiore con CAMSIZER X2.

Tuttavia, il SYNC è chiaramente superiore ad altri analizzatori laser per quanto riguarda il rilevamento di particelle sovradimensionate grazie alla valutazione avanzata delle immagini.

Esempio Satelliti

Polveri metalliche e produzione additiva Confronto e riepilogo dei metodi